浅谈新型能源地热能的开发和利用

能源和环境问题是当今世界各国面临的重大问题,清洁能源地利用问题更成为我们面临的重要课题。介绍地热资源的分布情况和开发现状,从地热发电和地热采暖等多个方面论述地热资源的利用,对地热资源在开发利用过程中存在的问题进行深入分析并提出相关建议,从资源、社会、经济、环境等角度指出地热资源具有广阔的发展前景。     

碳中和背景下中国地热资源勘查技术研究进展

地热资源是一种清洁低碳、可循环利用的可再生能源,在“双碳”目标政策背景下,开发地热能在调整能源结构和推进生态文明建设方面具有重大现实及战略意义。地热资源勘查是地热能开发利用深度与广度的前提和基础。在论述中国浅层地热能型、水热型和干热岩型地热资源分布概况的基础上,阐述了目前常用于地热资源勘查的遥感、地球物理、地球化学技术的机理、研究进展及优缺点。单一勘查技术均有一定的局限性和适用性。今后应从地热勘查技术综合应用、新勘查技术开发和高精度探测设备研制等方面开展攻关研究,从而提升地热资源勘查与评价程度和精度,以期对中国未来地热资源勘查及开发利用提供技术参考。     

秦皇岛市地热资源与开发前景探讨

地热资源作为一种绿色、环保的能源,其开发利用由来已久,但利用的方式、方法不当,造成了一定的资源浪费与破坏。本文通过对秦皇岛地区的地热资源状况、利用现状的说明,进一步提出了本地区地热资源的合理、科学的开发利用方案。     

办公建筑的能源审计及节能改造方法的工程实践研究

办公建筑单位建筑面积的能源利用程度较低、能耗较高,因此,对其进行能源审计和节能改造是我国能源高效利用的一项具有重要意义的工作.该文以上海某办公建筑为工程实践的研究对象,通过对其进行能源审计,针对其用能现状做节能潜力分析,综合利用各种节能技术,提高了该办公建筑能源利用效率.这对我国同类办公建筑的能源审计和节能改造的工程实践具有一定的借鉴意义.     

温度荷载影响下能源桩受力特性分析

能源桩作为一种新型桩基础形式,通过将换热管材埋于桩中与周围岩土体进行热交换,其承载特性受温度-荷载共同作用而不同于常规桩。有限的现场原位试验测试数据不足以全面的反应能源桩在不同约束条件下的承载性能;因此高效而准确的数值模拟方法的应用,将为能源桩受力特性的分析带来极大的便利。基于理想弹塑性桩-土荷载传递准则,应用数值模拟的方式对能源桩受力特性进行了分析;通过改变桩顶及桩端约束、桩周土体强度、上部结构荷载情况,调查了能源桩在温度荷载作用下的轴向应力,桩侧摩阻力及桩-土相对滑动位移等的变化,以期加深对能源桩受力特性规律的认识。     

基于指数模型的能源桩热-力耦合荷载传递法

能源桩技术的推广应用促进了能源桩分析理论的发展,但现有能源桩热-力耦合荷载传递法的研究尚不够完善。基于桩侧-土荷载传递的指数模型,改进了温度效应下能源桩热效应中性面确定条件,在荷载传递分析中叠加温度效应引起的桩身位移,建立了基于指数函数模型的能源桩热-力耦合荷载传递分析方法。结合能源桩的现场测试案例,利用本文方法进行了模拟,验证了本文方法的可行性。计算结果表明:温度效应引起了能源桩的桩身轴力及侧阻力的重分布。     

温度荷载影响下能源桩的受力特性分析

能源桩作为一种新型桩基础形式,通过将换热管材埋于桩中与周围岩土体进行热交换,其承载特性受温度-荷载共同作用而不同于常规桩。有限的现场原位试验测试数据不足以全面的反应能源桩在不同约束条件下的承载性能;因此高效而准确的数值模拟方法的应用,将为能源桩受力特性的分析带来极大的便利。基于理想弹塑性桩-土荷载传递准则,应用数值模拟的方式对能源桩受力特性进行了分析;通过改变桩顶及桩端约束、桩周土体强度、上部结构荷载情况,调查了能源桩在温度荷载作用下的轴向应力,桩侧摩阻力及桩-土相对滑动位移等的变化,以期加深对能源桩受力特性规律的认识。     

油田伴生地热资源评价与高效开发

 在深入了解油田伴生地热能与常规地热能特征的基础上,研究和分析了现有油田伴生地热资源的评价方法及其改进方法,并对中国油田伴生地热资源现状进行了初步探讨,结果表明,中国主要油田区深度5000m以内地热资源总量为6000×10⁸t标准煤。利用数值模拟方法研究了油田热储温度的主要影响因素与变化规律,结果表明,回注温度越高、回注流量越低,利用油田采出液发电时热储的温度下降越慢。分析了油田伴生地热发电方法与化石能源、太阳能、风能发电方法相比的优势,评价了现有国内外油田伴生地热发电示范工程,论证了油田伴生地热发电的可行性,提出了一种既能满足开发油田伴生地热要求又能提高石油产量的高效油热电联产方法。最后,对油田伴生地热的高效开发和利用,尤其是地热发电的前景进行了讨论和分析。     

能源桩热-力半耦合弹性理论分析方法

能源桩集地源热泵换热管路于建筑桩基内并实现浅层地热能的利用,是受热-力耦合作用的新型桩基技术,但现有的理论分析方法未能全面揭示温度-荷载耦合对能源桩承载性状的影响。基于摩擦型单桩弹性有限元模型,本文将桩身温度变化引起的附加温度应力简化为桩身内力,并叠加桩顶荷载作用的轴向应力开展桩单元受力平衡分析,结合桩顶约束条件,建立了能源桩热-力半耦合弹性有限元模型。通过对比能源桩现场实测数据和已有的能源桩理论分析结果表明:本文能源桩弹性理论方法能较好地反映热-力半耦合作用下能源桩的承载性能和荷载传递规律。     

南京羊山地区断裂构造解析与地热资源研究

文章研究了南京仙林大学城地区羊山公园地热地质条件,在了解该区地层岩性结构构造、热储埋深等地热地质和水文地质条件的基础上,采用可控源音频大地电磁法(controlled source audio-frequency magnetotellurics, CSAMT)对断裂构造进行地质物探综合解译,并结合地质资料综合研究调查区2 500 m左右深度内断裂位置和展布特征,对该区断裂构造进行深入解析。研究结果表明,调查区地热资源的分布与断裂构造关系密切,并具备地热储积的"热源、通道、热储、盖层"等基本热储水文地质条件,具有良好的地热资源勘查前景,断裂交汇处为地热资源勘查有利部位。研究结果对掌握南京市地热资源总体特征、了解地热流体补给来源、制定地热资源保护区划、合理开发利用地热资源具有一定指导意义。     

Experimental Analysis of Influencing Factors on Heat Exchange Efficiency of Cast-in Place Energy Piles

The energy pile is a kind of building energy-saving technology using shallow geothermal energy, and its heat exchange performance is an important factor affecting its development. In this study, heat exchange tests were carried out on three full-size cast-in place energy piles, and the influence of various factors on the heat exchange amount and the heat exchange rate was analyzed. The following conclusions are drawn:(1) the heat exchange rate of the cast-in place energy pile is greatly affected by the inlet water temperature;(2) increasing the pile length can increase the heat exchange amount, but has little effect on improving the heat exchange rate;(3) the increase in the heat exchange amount by heat exchange pipes in series is not significant, and therefore the parallel-type heat exchange pipes should be considered in practical engineering;(4) the appropriate circulating water flow velocity gives the best heat exchange efficiency.     

人工挖孔扩底桩轴向静载荷试验研究

依据河南济源人工挖孔扩底桩现场载荷试验,分析了人工挖孔扩底桩桩侧摩阻力、桩端阻力的发挥特征及其荷载-沉降规律,研究了桩侧阻力和桩端阻力随荷载增加的变化规律以及扩大端临空面对桩侧摩阻力的影响。试验结果表明:在坚实土层中选用扩底桩可有效提高单桩承载能力;桩侧摩阻力的作用不容忽视;承载力计算时应考虑护壁的厚度。     

开口与闭口管桩连续贯入机理的可视化模型试验研究

静压管桩连续贯入的动力响应不仅会引起土体的局部大变形,还会改变桩周土体的有效应力状态,从而影响自身的贯入阻力以及桩基承载力时效。现有研究更多关注的是沉桩后的承载变化,对于沉桩过程贯入机理的认识仍相对不足。为此,克服传统全模型试验不可视的局限,通过透明土可视化物理模型试验开展了开口与闭口管桩静压沉桩连续贯入全过程的对比试验,获得了开口与闭口管桩相同沉桩条件下的桩周土体的位移场。系统研究了两种形式下全时空域的桩周土体扰动变化规律及承载特性的发挥,并讨论了开口与闭口管桩贯入机理的差异性。试验结果表明：由于土塞效应渐进调动的原因导致开口与闭口管桩的挤土效应发挥机理存在较大差异,闭口管桩连续贯入引起的位移矢量场的模式主要以桩端放射状挤压土体运动为主,而开口管桩的位移矢量场则表现为管桩内部竖向位移最大、桩身两侧的扰动变形较小;贯入初期,开口管桩所调动的贯入阻力远小于闭口管桩,随着土塞程度的增大,土塞效应引起的开口管桩的土塞端阻对于总贯入阻力的贡献占比逐渐增大。     

软土地区单桩沉降的简化计算方法

根据300根有桩顶和桩端沉降的单桩荷载试验结果,研究了软土地区的单桩变形特性.将单桩分成预制混凝土方桩、空心混凝土桩、钢管桩和灌注桩四大类,利用弹性理论解对实测资料进行分析,得到基于桩长径比的桩身压缩量简化计算方法.结果表明,预制桩的桩身压缩量最大,空心混凝土和钢管桩其次,灌注桩最小,说明挤土效应对单桩的压缩变形有较大影响.用分层总和法分析桩端沉降,在此基础上改进了预估工作荷载下单桩沉降的简化计算方法.300多根试桩的分析结果表明,本方法能较好地预估单桩在工作荷载下的沉降.     

能源桩热-力学特性模型试验与数值模拟

能源桩是集地源热泵与建筑桩基于一体的建筑节能技术,具有经济、环保和节省地下空间资源等优点,因热-力耦合作用导致其承载性状不同于普通工程桩。基于室内模型试验和数值模拟研究,针对多次温度循环下饱和黏土地基中能源桩热-力响应展开研究,分析了桩周温度场、桩土沉降、桩侧摩阻力的变化,得出如下结论：升温时桩身温度沿深度逐渐减小,土体温度沿径向逐渐降低;降温所引起的桩顶沉降量大于升温的膨胀量,多次温度循环导致桩顶产生不可逆的累积沉降,其累积变形可能会对上部结构的安全造成影响。桩周土由于土体的热固结也发生不同程度的沉降,距离桩身越近沉降越大,且土体沉降速率随循环次数的增加呈逐渐减小趋势,三次循环后B4点沉降达到1.42%D(D为桩直径);温度荷载所引起的侧摩阻力随温度的升高和循环次数的增加而逐渐增大;升温时桩体上部产生负的侧摩阻力,下部产生正的侧摩阻力,降温时恰好相反,工作荷载的作用导致桩身产生负摩阻力的区域逐渐变小,位移零点也逐渐上移。运用COMSOL Multiphysics软件建立三维数值模型可较好地模拟热-力耦合作用下能源桩的承载力特性,数值模拟结果与模型试验结果吻合度较高,为试验设计及工程应用给出建议。     

非饱和土中能量桩换热解析模型及试验研究

能量桩作为地源热泵的一种特殊形式,现有的换热理论不适合于非饱和土中的桩。以圆柱源换热理论为基础,推导了非饱和土中能量桩换热解析模型,建立了饱和度与能量桩换热比率的函数关系,对饱和度与土体有效导热系数现有计算模型进行了比较分析,并通过室内模型试验,验证了所构建换热模型的适用性。     

水化热对冻土地区桩基热影响分析

针对冻土区灌注桩基础施工会给冻土引进一定的热量,破坏冻土的稳定冻结状态问题,研究水化热对桩基沿径向温度变化规律及影响桩周冻土温度场的时间。基于桩和冻土的三维非稳态温度场控制方程,并考虑边界条件和冻融相变过程,建立了桩基非稳态温度场控制方程。对桩周温度场的热影响分析表明,浇筑混凝土后水化热在第5 d达到最大,水化热对桩长范围内桩侧土体径向温度变化的影响程度大于桩底面以下土体径向受水化热影响程度,水化热对桩周围土体有较大的影响而且时间长。得出的一些结论可为冻土区桩基设计施工提供参考。     

隔离桩对堆载下群桩下拉荷载的屏蔽效应

目前关于隔离桩对堆载下群桩负摩阻力及下拉荷载屏蔽效应的研究甚少,我国规范也未对隔离桩的设计参数给出建议。定义下拉荷载屏蔽效应系数这一概念;建立考虑桩-土作用的三维有限元模型,通过数值计算结果与模型试验数据的对比,验证数值模型的准确性。以群桩效应系数和下拉荷载屏蔽效应系数为评价指标,研究隔离桩对堆载下基桩负摩阻力与下拉荷载的屏蔽效果,分析隔离桩桩长、边长、与最外侧基桩间距3个因素对屏蔽效果的影响规律,对隔离桩的设置给出参考。研究成果可为堆载时群桩负摩阻力的消除及隔离桩的优化设计提供参考。     

静压桩桩端扩张压力分析

为分析桩端扩张压力,对现有计算方法进行了改进;根据静压桩贯入机理,分析了静压桩的贯桩过程;在模拟桩体贯入过程的基础上,建立了基于半无限圆孔扩张的压桩静力平衡方程,并求得了弹性条件下桩端扩张压力的理论解答,同时进一步分析了桩端扩张压力与压入深度的关系.